2024年5月8日，中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰及其同事石發展，與南京大學孔熙、德國烏爾姆大學Fedor Jelezko、德國斯圖加特大學J?rg Wrachtrup等，應邀在囯際物理學權威綜述期刊《現代物理評論》（Reviews of Modern Physics）上發表題為“基于金剛石量子傳感器的單分子尺度磁共振譜學”（Single-moleculescale magnetic resonance spectroscopy using quantum diamond sensors）的長篇綜述論文。該論文系統闡述了基于金剛石氮-空位色心（NV色心）單自旋量子精密測量（量子傳感）的單分子磁共振技術，涵蓋單分子磁共振的理論原理、方法、研究進展和未來技術發展方向及應用領域。論文指出經過該領域全球學者十余年的共同努力，已經實現室溫大氣條件下單分子納米尺度磁共振的突破，為實現活體原位條件下的單分子磁共振及其在生物醫學的實際應用奠定基礎。此論文為金剛石單自旋量子精密測量及單分子尺度微觀磁共振從基礎研究到技術發展及應用指明了方向。

單分子科學和技術是物理、化學和生物等各學科的研究前沿。分子中含有豐富的自旋，且可以用自旋標記，因此自旋磁共振是研究分子的重要手段。磁共振技術在獲取物質的組成和結構信息方面，擁有準確、快速和無破壞性的獨特優勢。傳統磁共振領域從基礎原理到應用研究先后被授予六次諾貝爾獎，磁共振譜學是結構生物學解析分子結構的重要手段，磁共振成像也是最常用的臨床影像診斷技術之一，取得了重大的成功。然而受限于其探測方式，傳統磁共振技術通常需要毫米尺度數以百億計的大量均一分子才能測得信號。若實現單分子磁共振，其既能繼承傳統磁共振的優勢，又能直接揭示因大量分子平均而抹除的單個分子的獨特信息，是眾多領域期盼的革命性技術之一。單分子磁共振的技術突破需從探測原理上革新。近年來，基于量子力學原理的金剛石NV色心單自旋量子精密測量被提出，其能夠實現納米級高空間分辨率和亞納特斯拉高靈敏度的磁信號檢測，相比傳統磁共振分辨率提升百萬倍、分子數靈敏度提升百億倍，是一項典型的顛覆性新技術。以金剛石NV色心為代表的固態量子傳感技術，無需真空低溫等苛刻條件，可工作在室溫大氣、生理溶液、原位等各種寬松環境中，直接觀測單個分子的特性和行為，為在分子尺度理解生命過程及相關生物醫學應用提供了新的途徑。

二十余年來，中國科學技術大學杜江峰院士領導的研究團隊始終聚焦自旋量子信息物理學領域，專注自旋量子操控技術發展和儀器研制，并推進量子精密測量的交叉應用研究。過去的十余年間，杜江峰院士、石發展教授等在國家自然科學基金委、科技部、中國科學院等長期支持下聚焦單自旋量子精密測量技術發展和交叉研究，取得系統性的研究成果，在國際上率先實現單分子磁共振，引領了單分子磁共振譜學研究領域的發展。代表性成果包括：測得世界首張單蛋白質分子順磁共振譜，開啟單分子磁共振研究新領域[Science347,1135 (2015)]；實現納米核磁共振譜學新方法，先后測得5納米尺度質子磁共振信號[Science 339, 561(2013)，國際合作]和一對核自旋的相互作用及原子級結構解析[Nature Physics 10, 21(2014)]；將單分子磁共振環境條件從固體推進到溶液，首次實現水溶液中單DNA分子磁共振譜的探測[Nature Methods15, 697 (2018)]；發展納米金剛石量子傳感技術，進而實現原位溶液環境順磁共振譜學探測 [Nature Communications 14,6278 (2023)]；發展了多量子傳感器關聯測量技術[Nature Photonics 18, 230 (2024)]等。此外在單分子磁共振譜學的生物醫學交叉應用和高分辨高靈敏探測新方法等方面也做出了大量系統性工作，單自旋測磁靈敏度和納米順磁共振譜分辨率指標均達國際領先水平。上述工作與國內外其他研究團隊成果一起，共同推動了單分子尺度磁共振技術的突破和發展。這些技術的進步使得NV色心成為目前唯一能在室溫大氣條件下實現單分子磁共振測量的體系。隨著技術障礙的逐步解決，其將在原位分子結構和動力學、化學環境解析、自旋電子學、單細胞磁共振成像、精準醫學檢測等方向取得突破性進展和廣泛應用，形成新一代微觀磁共振技術新領域。當前，基于NV色心的超高靈敏度和精確度量子傳感，已經開始從實驗室環境走向實際應用領域，展現出巨大的應用價值和商業潛力。

此次受邀撰寫的《現代物理評論》綜述論文長達62頁，杜江峰院士作為受邀人領導了該論文的組織和撰寫，全文由杜江峰、石發展、孔熙主筆撰寫，所有作者共同修訂。文章詳細回顧了單分子量子傳感技術的發展歷史和研究進展，包括各類單分子尺度磁共振方法技術介紹、測量靈敏度的計算及退相干等限制因素分析、譜線分辨率和空間分辨率的主導因素和提升方法、量子傳感器的制備集成等。尤其是文章最后細致深入分析了各類方法的兼容性、單分子磁共振的技術優勢和挑戰，并討論展望了單分子磁共振技術的未來發展趨勢和應用方向，為未來有志于從事該方向研究的青年人員提供參考。

《現代物理評論》是國際物理學界知名綜述性期刊，每年僅發表約四十篇學術論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請在各領域卓有建樹的物理學家執筆，旨在對當今物理研究的重大熱點問題做歷史總結、原理闡述、現狀分析和趨向預測。論文需經過國際同行的匿名評審方可發表。此論文是我國量子精密測量科學領域在該期刊發表的第一篇綜述論文，標志著我國在單自旋量子精密測量及單分子磁共振領域處于國際領先地位。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.96.025001

（中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、生物醫學工程學院、科研部）